В статье автор исследует влияние дополнительных удерживающих устройств (жестких упоров) на совместную работу жесткой арматуры и бетонной оболочки в сталежелезобетонной внецентренно-сжатой колонне.

Ключевые слова: сталежелезобетон, колонна, контакт, упоры.

Сталежелезобетон — это композитный материал, включающий в себя стальные профили и железобетон, которые совместно работают в одной конструкции [1, 2].

Актуальной проблемой в применении сталежелезобетонных конструкций является обеспечение совместной работы железобетонной и стальной составляющей элемента, а также сложность в проектировании и расчете таких конструкции в связи с внутренней статической неопределимостью сечения.

Для численного моделирования принято квадратное сечение колонны 1500х1500 мм с жесткой арматурой в виде сварного двутавра. Продольная сила прикладывается с эксцентриситетом 500 мм.

Для определения влияния жестких упоров будет решена контактная задача на границе «сталь-бетон» двух видов: совместная работа за счет поверхностей контакта (сил трения) и совместная работа с учетом жестких упоров.

Контактная задача моделируется в программном комплексе Ansys Workbench 2022 R1 в первом случае через инструмент Frictional с коэффициентом трения 0,5 и жесткостью контакта 1500000000000 Н/м ³ , что позволяет адекватно отразить взаимодействие элементов и влияние податливости соединений. Второй случай моделируется инструментом Bonded, что предполагает жесткое соединение поверхностей стального сердечника и бетонной оболочки в зоне контакта, которое будет эквивалентно наличию жестких упоров.

Размеры элементов и их расположение см. рис. 1.

Рис 1. Рассматриваемое сечение колонны и расчетная схема

Нормальные напряжения в образце колонны показаны на рис. 2.

Рис. 2. Нормальные напряжения в колонне

Разные виды соединений показывают характерные картины поведения материалов в зоне контакта. Так при податливом соединении наблюдаются зоны Sticking (прилипание) и Sliding (скольжение), немного зон Near («около»), но при этом отсутствуют зоны Over Constrained (чрезмерные ограничения) и Far («далеко»). Тогда как жесткое соединение характерихуется исключительно наличием зон Sticking (прилипание). Распределение данных зон показано на рис. 3.

Рис. 3. Статус контакта в колонне при податливом и жестком соединении

У колонны со стальным сердечником в виде двутавра наличие жестких упоров оказало качественное влияние на картину распределения зон напряжения трения. При жестком соединении зоны с повышенными значениями напряжения трения более обширные по площади, что говорит об большем сопротивлении контактной поверхности смещению.

Распределение зон напряжения трения показано на рис. 4.

Рис. 4. Напряжение трения в колонне при податливом и жестком соединении

Также у модели с жестким соединением наблюдались меньшие зоны с большим зазором, что также говорит о плотном примыкании поверхностей стали и бетона друг к другу при больших нагрузках. Показано на рис. 5.

Рис. 5. Величина зазора в колонне при податливом и жестком соединении

Сравнение результатов расчета приведено в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета сталежелезобетонных колонн

По данным результатам видно, что возросло нормальное напряжение в колонне примерно в 9 раз, расстояние скольжения поверхностей контакта уменьшилось примерно в 2 раза, значение напряжения трения увеличилось в 2 раза, а величина зазора уменьшилась в 20 раз.

Таким образом, можно сделать вывод, что наличие дополнительных удерживающих устройств (жестких упоров) оказало большое влияние на колонну со стальным сердечником в виде двутавра, на что показывает изменение некоторых параметров в десятки раз.

Литература:

1. Глазунов Ю. В. Технико-экономические исследования и область применения сталежелезобетонных конструкций // Коммунальное хозяйство городов. — 2008. — № 80. — С. 89–94.
2. Бабалич В. С., Андросов Е. Н. Сталежелезобетонные конструкции и перспектива их применения в строительной практике России // Успехи современной науки. — 2017. — № 4. — С. 205–208.